Experimentelle Physik im Unterricht

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1 Experimentelle Physik im Unterricht Seminar ELEKTRIZITÄT Mag. Otto Dolinsek

2 Versuche zur Elektrostatik Durchführung grundlegender elektrostatischer Versuche: Materialliste: Glasstäbe, Hartgummistäbe, Trinkhalme, Luftballone, Elektroskope, Geodreiecke, Overheadfolien, Papierschnipsel, CD-Hüllen, alte Schallplatten, Styropor-Kügelchen, Metalldraht, Alu-Folien, Büroklammer, Alu-Dose Papierschnipsel werden auf den Tisch gestreut. Die Overheadfolie wird auf die Papierschnipsel gelegt und mit einem Tuch gerieben, danach hebt man die Overheadfolie. Lege eine Overheadfolie auf den Tisch und glätte sie mit einem Tuch. Streue Papierschnipsel (Grießkörner) darauf. Hebe die Folie waagrecht hoch. Fülle eine leere CD-Hülle mit Styroporkügelchen und reibe die obere Fläche mit einem Tuch! Reibe zwei Luftballone aneinander! Ziehen sich die geladene Ballone an? Reibe Luftballone mit einem Wollpullover! Ziehen sich die geladene Ballone an? Haften aufgeladene Ballone an der Wand? Versuche mit geladenen Folien, Luftballonen, Plastikkämmen bzw. Geodreiecken einen feinen Wasserstrahl abzulenken. Mische Salz und Pfeffer! Reibe einen Luftballon und halte die geriebene Seite knapp über die Mischung. Lege eine ungeladene Alu-Dose in die Nähe eines geladenen Luftballons bzw. einer Overheadfolie. Baue ein einfaches Elektroskop! (Isolierdraht mit einem feinen Alu-Streifen) Fixiere das Elektroskop mit dem Stativmaterial! Reibe Glasstäbe, Hartgummistäbe, Geodreiecke, Overheadfolien usw. und überprüfe die Funktionsweise des Elektroskopes! Versuche mit der Influenzmaschine bzw. Bandgenerator! Materialliste: Bandgenerator, Influenzmaschine, Glimmlampe, Holunderkugeln, elektrostatisches Windrad, Glockenspiel, Kugellauf, Wattebausch, Büschelelektroskop, elektrostatisches Windrad, Blitztafel Influenzmaschine: Man lässt zwei Glas- oder Plexiglasscheiben, früher auch Scheiben aus Hartgummi, in gegenläufiger Richtung rotieren. Auf den Plexiglasscheiben sind Metallstreifen aufgeklebt. Metallbürsten verbinden gegenüberliegende Metallstreifen der Plexiglasscheiben. Ist zufällig ein Belag auf einer Seite negativ geladen (die Ladung wird nicht wie oft vermutet durch Reibung erzeugt), werden auf der gegenüberliegenden Seite durch elektrische Influenz zwangsläufig entgegengesetzte Ladungen bewirkt. Diese Ladungen werden bei der weiteren Drehung der Scheibe von Kontakten (Metallbürsten) aufgenommen und zu einem Kondensator, der für hohe Spannungen geeignet ist (z.b. sog. Leidener Flasche), geleitet. Ab einer gewissen Spannung kommt es an den angeschlossenen Funkenstrecken zu wiederholten Blitzentladungen. (http: de.wikipedia.org wiki Influenzmaschine) Bandgenerator: Der Bandgenerator ist ein von Van De Graaf entwickelter elektrostatischer Hochspannungsgenerator. Das Gerät arbeitet nach dem Prinzip der Selbstanregung und liefert im Leerlauf eine Gleichspannung von bis Volt. Die Ladungen sind mit etwa 10-4 Coulomb so gering, dass der Generator ohne Gefahr berührt werden kann. Bei Kurzschluss liefert er einen Strom von ca. 10μA. Funktionsweise: Das Herzstück des Generators ist ein endloses Band, welches über drei Schneiden (a), (b) und (c) gezogen wird. Die Kunststoffrolle (1) wird beim Anlauf durch Reibung positiv geladen. Würde das Gummiband nur durch die Berührung mit der Kunststoffrolle geladen, so könnte nicht mehr Ladung auf die Kugel transportiert werden, als eben auf dieser Walze sitzen. Deshalb wird dieser Walze eine Metallschneide (a) gegenübergestellt, an der so genannte Spitzenwirkung auftritt. Durch Influenz werden aus der Erde Elektronen nahe zur Kunst stoffrolle, also zur Spitze der Metallschneide gesaugt. Durch die extrem hohe Feldliniendichte an der Spitze können Elektronen auch aus der kalten Schneide gerissen werden. Sie können die Luft ionisieren, was zur Bildung weiterer freier Elektronen führt. So wird das Band ständig mit einer großen Menge an Elektronen besprüht, die nun alle auf die Kugel befördert werden können. Da das Band zwischen Kugel und Antrieb dicht geführt wird, kommt es zu einer Kondensatorwirkung, welche die Leistungsfähigkeit des Generators um ein Vielfaches erhöht. An den Rollen (4), (5) und der Schneide (c) werden negative Ladungen auf die Kugel übertragen. Die Schneide (b) führt die am Band verbliebene Überschuss ladung ab, bevor das Band die positive Walze passiert und an der Klinge (a) abermals mit Elektronen aufgeladen (besprüht) wird. Seite 1

3 Verwende den Bandgenerator bzw. die Influenzmaschine! Qualitativer Nachweis der Ladung s art mit der Glimmlampe. Es leuchtet immer der negative Pol! Warum? Zeige die Blitzentladungen zu einer geerdeten Kugel! http: Eine in der Nähe befindliche Leuchtstoffröhre leuchtet auf. Büschelelektroskop: Der Versuch zeigt, dass sich gleich namige Ladungen abstoßen. Blitztafel: Es treten zwischen den Alu- Folien Blitzentladungen auf. Elektrostatische Rauchgasreinigung: Die Spitzenelektrode sprüht Elektronen in die Rauchpartikel. Diese werden dadurch negativ aufgeladen, stoßen sich ab und schlagen sich auf der positiv geladenen Grundplatte nieder. Lade- und Entladeerscheinung: Die Watte pendelt zwischen der Hand und der geladenen Elektrode der Influenzmaschine hin und her. Elektrostatisches Glockenspiel: Die metallischen Pendelkörper transportieren Ladungen. Dabei werden sie an ge zogen (entladen und aufgeladen) und abgestoßen. Tanz der Holunderkugeln: Die auf der Grundplatte liegenden Holundermarkkugeln laden sich gleichnamig auf und werden von der Platte abgestoßen. In der Nähe des Gegenpols geben sie diese Ladung wieder ab und laden sich umgekehrt auf. Dadurch fallen sie auf die Grundplatte zurück und der Vorgang beginnt erneut. Elektrischer Kugellauf: Die Kugel läuft im Kreis. Durch die Anordnung zwischen den beiden Elektroden wird die Kugel unterschiedlich aufgeladen. Dies führt zu einer Laufbewegung mit ständiger Auf und Entladung. Spitzenentladung: Die Spitzen geben bei negativer Aufladung Elektronen ab. Der Rückstoß der Spitzen führt zu einer Drehung im Uhrzeigersinn. Was passiert bei positiver Aufladung der Spitzen? Lade- und Entladeerscheinung: Ein Wattebausch pendelt zwischen der geladenen Bandgeneratorkugel und einer geerdeten Kugel hin und her. Kerzenwind: Aus der negativ aufgeladenen Spitze treten Elektronen aus, die die Luftteilchen negativ aufladen. Es entsteht ein Luftstrom, der auch elektrischer Wind bezeichnet wird. Faraday-Effekt: Die Ladungen befinden sich außen. Mit der Metallkugel können Ladungen auf das rechte Elektroskop übertragen werden. Beim linken Elektroskop nimmt der Ausschlag ab, beim rechten zu. Nach mehreren Ladungsübertragungen zeigen beide Elektroskope den gleichen Ausschlag. Faraday-Effekt: Man versucht Ladungen innen abzunehmen und auf das rechte Eektroskop zu übertragen. Das rechte Eletroskop zeigt keinen Ausschlag. Das Innere eines Faraday Bechers ist stets ladungsfrei. Seite 2

4 Faraday-Effekt: Das linke Elektroskop im Farady- Käfig zeigt keinen Ausschlag. Das rechte Elektroskop ist mit der Oberfläche des Faraday-Käfigs verbunden und zeigt die Oberflächenladung an. Das Innere eines Faraday-Käfigs ist ladungs- und feldfrei! Elektrosmog! Lege ein Handy in einen Faraday-Käfig. (Oder: Umwickle es mit einer Alumiumfolie) Kann eine Verbindung zum Handy aufgebaut werden? Kondensatorexperimente: Wie verändert sich die Spannung am Kondensator, wenn man den Plattenabstand vergrößert bzw. verkleinert? U=E s Wie verändert sich die Spannung am Kondensator, wenn man in den Kondensatorraum ein Dieelektrikum einschiebt? Q=UC=const Lade- und Entladekurve eines Kondensators: Aufnahme der Lade- bzw. Entladekurven mit dem Oszilloskop oder mit Dilab. Wovon hängt die Lade- bzw. Entladezeit ab? Ladezeit t=5rc Parallelschaltung von Kondensatoren C 1 =2μF, C 2 =2μF Kondensatoren aufladen Kondensatoren entladen und den Entladestrom messen Versuch mit C=4μF wiederholen Ergebnis: C=C 1 +C 2 Vergleich von Kondensator und Drosselspule im Gleichstromkreis Einschalten: L 1 leuchtet sofort auf, L 2 leuchtet erst bei Verlöschen von L 1 auf! Ausschalten: Der Kondensator entlädt sich über die Glühlämpchen und die Spule. L 1 leuchtet auf, L 2 kann nicht aufleuchten, weil der Entladestrom zu klein ist! Eigenschaften des Kondensators: wirkt im Einschaltaugenblick wie ein Kurzschluss. kann elektrische Ladung speichern. sperrt den Gleichstrom. lädt und entlädt sich nach e-funktionen. Der Kondensator glättet den pulsierenden Gleichstrom: Ladefunktion des Kondensators : U(t) =U 0 (1 e Entladefunktion des Kondensators : U(t) =U 0 e F ür t = R C U(t) =(1 1 e ) U 0 =0, 63 U 0. RC t ) RC t Schülerexperiment: http: physik download e_kondensator.pdf Serienschaltung von Kondensatoren C 1 =2μF, C 2 =2μF Kondensatoren aufladen Kondensatoren entladen und den Entladestrom messen Versuch mit C=1μF wiederholen Ergebnis: l C = 1 C C 2 Spannungskurven am Widerstand R mit dem Oszilloskop oder mit Dilab zeigen. Schülerexperiment: http: physik download e_gleichrichterschaltung.pdf Seite 3

5 Der Gleichstrom Das Ohmsche Gesetz: In einem Stromkreis mit konstantem Widerstand R wird bei variabler Spannung U und die Stromstärke I gemessen. M. Berhard Experimente zur Schulphysik Konstantan ist eine Legierung, die aus 55% Kupfer und 44% Nickel und 1% Mangan besteht. Sie zeichnet sich durch einen über weite Temperaturbereiche annähernd konstanten spezifischen elektrischen Widerstand aus. Spannung in 0,5 V-Schritten von 0 V bis 4 V erhöhen und die zugehörigen Stromstärken notieren. U 0,5V 1V 1,5V 2V 2,5V 3V 3,5V 4V I U I=R Durchschnitt der Widerstandswerte bilden! R _ = Drahtlänge l messen! l= Drahtdurchmesser d messen (Schiebelehre mit Noniusskala verwenden) d= Drahtquerschnitt A berechnen A=r2π= R = ρ l A ρ = R A l = ρ spezischer elektrischer Widerstand Schülerexperiment: Bestimme den spezifischen elektrischen Widerstand ρ der Drähte! http: physik download e_spezifischer_widerstand.pdf Widerstandsmessungen mit dem Multimeter: Bestimme den Ohmschen Widerstand der STB-Widerstände LDR, VDR, PTC und NTC! Prüfe die Abhängigkeiten! R LDR VTR PTC NTC R belastet R nimmt mit Bestrahlung... R nimmt rasch ab, wenn die Grenzspannung überschritten wird (Varistor). R nimmt bei Erwärmung R nimmt bei Er-... wärmung... Führe Kurzschlussmessungen durch! Seite 4

6 Gleichstromversuche Parallelschaltung von Widerständen: 1) Zeige die Gültigkeit des 1. Kirchhoff schen Gesetzes! I= I 1 +I 2 2) Zeige, dass die Spannung an den Widerständen gleich bleibt! 3) Der Gesamtwiderstand R g berechnet sich nach der Formel 1 R g = l + 1 R 1 R 2 4) Wie kann es zu einer Überlastung kommen? Haushalt: I 13A (Sicherung) P U I=13 220W=2860W 5) Was versteht man unter einem Kurzschluss? Schülerversuch: http: physik download e_parallelschaltung.pdf Serienschaltung von Widerständen: 1) Zeige die Gültigkeit des 2. Kirchhoff schen Gesetzes! U= U 1 +U 2 2) Der Gesamtwiderstand R g berechnet sich nach der Beziehung R g = R 1 +R 2 3) Zeige, dass kein Strom verbraucht wird! 4) Welche Serienschaltungen gibt es im Haushalt? Schülerexperiment: http: physik download e_serienschaltung.pdf Elektrisches Wärmeäquivalent: Welche Energie ist erforderlich, um 1 kg Wasser um 1 C zu erwärmen. Materialliste: 1 Netzgerät, 1 Thermometer, 1 Kalorimeter, 1 Tauchheizer, 1 Messzylinder, 2 Multimeter Aufbau der Schaltung gemäß der Abbildung Durchführung: Kalorimeter mit m=0,1kg Wasser füllen. Temperatur des Wassers messen. T A =.. C Spannung des Netzgerätes auf U=~9V (Voltmeter) einstellen Schaltung fertig stellen und Netzgerät t=200s einschalten. U und I ablesen. U= V, I= A, t=200s Wasser umrühren und Wassertemperatur ablesen. T E =. C Spezifische Wärme c des Wassers berechnen! U I t = m H2 O c H2 O (T E T A ) c H2 O = U I t m H2 O (T E T A ) = = J kg C Seite 5

7 Versuch von Oersted: Man betrachtet das Verhalten einer Magnetnadel in der Nähe eines geradlinigen stromdurchflossenen Leiters. Die Ablenkung der Magnetnadel erfolgt nach der Amperschen Rechte-Hand-Regel. Jeder stromdurchflossene Leiter ist von einem ringförmigen Magnetfeld umgeben. magnetische Umlaufspannung 2rπ B = μ 0 I Magnetische F lussdichte B = μ 0 I 2rπ Das Magnetfeld einer Spule: Wickelt man den Leiter zu einer Spule, so entsteht ein Magnetfeld ähnlich wie bei einem Stabmagneten. Eine solche Spule besitzt dann auch einen Nord- und Südpol, der von der Stromrichtung bestimmt wird. B a 0 Magnetische Umlaufspannung B a l a + B 0 l = μ 0 NI Magnetische F lussdichte der Spule B 0 = μ 0 NI l N Windungszahl der Spule μ 0 Permeabilität des Vakuums l Länge der Spule μ Permeabilität des Mediums I Stromstärke B Magnetfeld mit Eisenkern Aufgabenstellung: Zeige die Abhängigkeiten des Magnetfeldes mit Hilfe der Magnetfeldsonde! Warum wird das Magnetfeld der Spule mit Eisenkern stärker? Bestimme die Permeabilität μ des Mediums durch Magnetfeldmessungen! (B 0 = T B= T μ=b B 0 = ) Die Lorentzkraft: Jeder stromdurchflossene Leiter erfährt im Magnetfeld einen Bewegungsantrieb. Spannung auf ca. 3V einstellen. Netzgerät kurz einschalten (Kurzschlussstrom tritt auf) und die Kraftwirkung auf den Leiter beobachten. Versuche mit der Rechten-Hand-Regel die Kraftrichtung vorherzusagen! F = I s B = I s B sin(ϕ) ϕ =0 sin(0) = 0 F =0 ϕ =90 sin(90) = 1 F = I s B Schülerexperiment: http: physik download e_kurzschluss_lorentz.pdf Amperedefinition: Die Einheit 1 Ampere ist die Stärke eines zeitlich unveränderlichen elektrischen Stromes, der durch zwei im Vakuum parallel im Abstand 1 Meter voneinander angeordnete, geradlinige unendlich lange Leiter von vernachlässigbar kleinem Querschnitt fließend, zwischen diesen Leitern je ein Meter Leiterlänge die Kraft Newton hervorrufen würde. F = I 2 s B1 =I 2 s μ0i 1 2πr 1 F = N,s = r 1 =1m, I 1 = I 2 =1A μ 0 =4π 10 7 N A 2 Abbildung: http: leifi.physik.uni-muenchen.de web_ph07_g8 geschichte 06amperedefn amperedefn.htm Seite 6

8 Der einfache Gleichstrommotor: Materialliste: 1 Paar Scheibenmagnete, 2 Polschuhe, 1 Zweipolrotor, 2 Kohlebürsten, 1 Netzgerät Bürsten am Kommutator anschließen. Netzgerät einschalten und Rotor mit der Hand anwerfen. Bürstenhalterung so einstellen, dass das Bürstenfeuer minimal wird. Der selbst anlaufende Gleichstrommotor: Materialliste: 1 Paar Scheibenmagnete, 2 Polschuhe, 1 Dreipolrotor, 2 Kohlebürsten, 1 Netzgerät Bürsten am Kommutator anschließen. Netzgerät einschalten und günstige Bürstenstellung ermitteln. Trommelanker einbauen und mit höherer Spannung U=12V arbeiten. Gleich- und Wechselstrommotor (Hauptschlussschaltung): Materialliste: 2 Polschuhe, 2 Spulen 250Wdg. 1 Trommelanker, 2 Kohlebürsten, 1 Bürstenhalter, 1 Widerstand 11 Ω, 1 Amperemeter, 1 Netzgerät Rotor- und Polfeldspulen seriell schalten, Bürsten am Kommutator anschließen. Netzgerät einschalten und günstige Bürstenstellung ermitteln. Spannungsquelle umpolen. Ändert sich die Drehrichtung? Motor mit Wechselspannung betreiben. Wie kann man die Drehrichtung ändern? Was bewirkt der 11 Ω Widerstand parallel zur Statorwicklung? Nebenschlussmotor: Materialliste: 2 Polschuhe, 2 Spulen 250Wdg. 1 Trommelanker, 2 Kohlebürsten, 1 Bürstenhalter, 1 Widerstand 11 Ω, 1 Amperemeter, 1 Netzgerät Rotor- und Polfeldspulen (ohne 11Ω) parallel schalten, Bürsten am Kommutator anschließen. Netzgerät einschalten und günstige Bürstenstellung ermitteln. Spannungsquelle umpolen. Ändert sich die Drehrichtung? Wie kann man die Drehrichtung ändern? Was bewirkt der 11 Ω Widerstand in der Statorwicklung? Schülerübungen: NTL Motor http: physik download e_motor_ntl.pdf Selbstbaumotor http: physik download e_motor_draht.pdf Seite 7

9 Der einfachste Elektromotor der Welt Hängt man einen Kugelmagnet und eine Schraube an den Pol einer Batterie und verbindet den anderen Pol leitend mit dem Magneten, so gerät dieser in schnelle Rotation. Weitere Anleitungen findet man unter http: elektromotor.php Materialliste: Netzgerät, 1 Metallstab, 1 Krokoklemme, 1 Kugelmagnet, Stativmaterial Warnung: NdFeB sind viel stärker als gewöhnliche Magnete. Halte daher einen guten Sicherheitsabstand zu allen Geräten und Gegenständen ein, die durch das Magnetfeld beschädigt werden können. Dazu gehören unter anderem Fernseher und Computer-Monitore, Kreditkarten und EC-Karten, Computer, Disketten, Video- Tapes, mechanische Uhren, Hörgeräte und Lautsprecher. Auch Herzschrittmacher können durch einen größeren Magneten gestört werden. Aufbau der Schaltung gemäß der Abbildung. Durchführung: Man kann zwischen Spitze der Schraube und Stab einen kleinen Magneten geben. (Erhöhung der Haftkraft) Keine zu großen Kurzschlussströme fließen lassen, bei U=2-4V beginnt sich der Magnet rasch zu drehen. Besonders eindrucksvoll und auch im Unterricht aus den hinteren Reihen sichtbar ist die Rotation, wenn ein Papierwindrad mit einem kleinen Magneten unter den Magneten geheftet wird. Fertig ist der Ventilator!" weitere Experimente: Der Selbstbaumotor (http: physik download e_motor_magnet.pdf) Elektrolehrmaschinen (http: physik download e_motor_lehrmaschinen.pdf) Lorentzkraft auf bewegte Ladungen: In der Braunschen Röhre sind die elektrisch gelandenen Teilchen Elektronen. Diese werden durch den glühelektrischen Effekt aus einem Glühdraht herausgelöst. Dieser Glühdraht dient gleichzeitig als Kathode. Legt man zwischen dieser und einer Anode eine Beschleunigungsspannung an, können die Elektronen beschleunigt werden und treffen als Elektronenstrahl den Leuchtschirm. Die Elektronen können mit einem Magnetfeld abgelenkt werden. F = I s B = I s B sin(ϕ) = Nq t Kraft auf eine Ladung : Spezialfälle: φ=0 sin(0)=0 F=0 φ=90 sin(90)=1 F=qvB 0<φ<90 Spiralbahn Anwendungen und Beispiele: Zyklotron, Massenspektrograph, Magnetfeld der Erde Induktion: s B sin(ϕ) =Nq s B sin(ϕ) =Nq v B sin(ϕ) t F = q v B sin(ϕ) =q v B Ein geradliniger Leiter der Länge l bewegt sich mit der Geschwingdigkeit v senkrecht zum Magnetfeld B. Die Lorentkraft F 1 erzeugt ein elektrisches Feld E und damit eine Spannung U i. Der fließende Induktionsstrom I erfährt im Magnetfeld eine Kraftwirkung F, die der Bewegungsrichtung ent gegengesetzt ist (Lenzsche Regel). U i = E l = F 1 q l = qvb l = q v B q U i = v B l = ds dt dφ da l = ds dt dφ ds l l = dφ dt U i = dφ (Lenzsche Regel : ) dt Seite 8

10 Induktionsspannung und Windungszahl Materialliste: 1 Stabmagnet, 1 Spule N=250Wdg., 1 Spule N=500 Wdg., 1 Spule N=1000Wdg., 1 Demonstrationsmessgerät Stabmagnet unter Beobachtung des Drehspulmessgerätes mit gleicher Geschwindigkeit in jede Spule hinein schieben und wieder herausziehen. Induktionslampe: Materialliste: 1 Induktionslampe Lampe einschalten und Magnet durch Schütteln bewegen Induktion im Kurzschlussbügel Materialliste: 1 Kurzschlussbügel mit Glühlämpchen, 1 UHF- Oszillator, 1 Netzgerät für Röhrenversuche Kurzschlussbügel mit Lämpchen auf den UHF Oszillator legen. Warum leuchtet das Glühlämpchen?.(U ind =U s sin(ωt)=banω sin(ωt) Innenpolmaschine (Fahraddynamo): Materialliste: 1 Fahraddynamo zerlegt (1 Spule und ein Magnet), 1 Voltmeter, 2 Krokoklemmen Magnet mit Handkurbel oder Akku-Bohrmaschine drehen. Die Spannung mit Voltmeter messen. Die Spannungsmessung kann auch mit dem Oszilloskop bzw. dem Computer (Dilab) erfolgen. Waltenhof sches Pendel: Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Spule N1=250Wdg., 1 U-Trafo kern, 2 Polschuhe, 1 Pendel mit einer Klemm vorrichtung für die Metallscheibe, 1 drehbare Metallscheibe, 1 Stativ, 1 Gewichtstück 50g, Stativmaterial, 1 Faden Pendel durch die Polschuhe schwingen lassen und den Stromkreis schließen. Das Pendel wird gebremst. Versuch mit dem kammförmigen Körper wiederholen. Die Bremswirkung ist wesentlich geringer. Seite 9

11 Wirbelstrombremse (kontaktloses Bremsen) Fallröhre: Materialliste: 1 Fallröhre vorne offen, 1 Fallkörper(zylindrischer Magnet), 1 Fallkörper (Metallzylinder) Magnet fallen lassen. Eisenstück fallen lassen. Lenz scher Ringversuch: Materialliste: 1 Spule N=500 Wdg., 1 Ein-Ausschalter, 2Stk. Joch, 1 U-Kern, 1 Alu-Ring Spule an U~220V anschließen. Schalter schließen! Ring schweben lassen, Ring nach unten drücken. (Vorsicht!!! Starke Erwärmung des Ringes tritt auf!) Wechselstromgenerator Materialliste: 2 Magnete, 2 Magnetpolschuhe, 1 Zweipolrotor, 2 Bürsten, 1 Bürstenhalter, 1 Keilriemen, 1 Schraubenfassung E10, 1 Handantriebsmaschine Die Kohlebürsten am Kollektor anschließen und mit der Glühbirne U=6V verbinden. Die Kurbel gleichmäßig drehen. Spannung mit Voltmeter messen. U(t)=U s sin(ω t) Wechselspannungssignal Drehstromgenerator (Aussenpol): Materialliste: 3 Bürsten, 1 Paar Scheibenmagnete, 2 Polschuhe, 1 Dreipolrotor, 1 Keilriemen, 1 Handkurbel, 3 Voltmeter, 1 Tischklemme Voltmeter auf U~3V einstellen Zeige, dass die Spannungen gleich aber phasenverschoben sind. Drehstromgenerator - Sternschaltung: Materialliste: 3 Spulen N=250Wdg., 3 Spulen-Polschuhe, 1 Zweipolrotor, 2 Kohlebürsten, 3 Schraubfassungen E10, 3 Glühlämpchen U=6V, 1 Handantriebmaschine, 1 Keilriemen, 1 Tischklemme Rotor gleichmäßig drehen. Die Spannung zwischen N und L mit Voltmeter messen. Die Spannung zwischen den Phasenleitern messen. Die drei Phasen mit 3 gleichen Widerständen belasten und die Stromstärke im Nullleiter messen. Was geschieht, wenn man einen Phasenleiter aussteckt? Seite 10

12 Drehstromgenerator - Dreieckschaltung: Materialliste: 3 Spulen N=250Wdg., 3 Spulen-Polschuhe, 1 Zweipolrotor, 2 Kohlebürsten, 3 Schraubfassungen E10, 3 GlühlämpchenU=6V, 1 Handantriebmaschine, 1 Keilriemen, 1 Tischklemme Rotor gleichmäßig drehen. Die Stromstärken I S und I L messen. Drehstromtrenntrafoversuche Materialliste: 1 Drehstromtrenntrafo, 1 Voltmeter Die Spannung zwischen N und L bzw. zwischen den Phasenleitern messen. U 1,2 = 3 U LN Sternschaltung Materialliste: 1 Drehstromtrenntrafo, 1 Amperemeter, 3 Spulen N=12000Wdg. (oder andere Verbraucher) Sternschaltung mit 3 gleichen Widerständen (Spulen Wdg.) aufbauen. Die Stromstärke im Nullleiter messen. 1 bzw. 2 Phasenleiter öffnen und das Amperemeter beobachten. Bei gleichmäßiger Belastung der drei Phasen ist die Stromstärke im Nullleiter minimal! Dreieckschaltung: Materialliste: 1 Drehstromtrenntrafo, 1 Amperemeter, 3 Spulen N=12000Wdg. Dreieckschaltung mit 3 gleichen Widerständen (Spulen Wdg.) aufbauen. Die Stromstärke I P in einem Phasenleiter messen. Den Spulenstrom I S messen. I L = 3 I S Seite 11

13 Selbstinduktion: Materialliste: 1 Spule mit Eisenkern N=1000Wdg., 1 Netzgerät, 1 Glimmlampe U=80V Anwendungen: Zündspule, Funkeninduktor, Weidezaun, Defibrillator... Spule ohne Eisenkern, Schalter öffnen und schließen, Glimmlampe beobachten. Spule mit Eisenkern, Schalter öffnen und schließen, Glimmlampe beobachten. φ = B Spule A = μμ 0NI A U ind = N dφ l dt = μμ 0N 2 A di l dt = LdI dt L = μμ 0N 2 A l Induktivität der Spule Schülerübungen: Lenzsche Regel Induktion bei Gleichstrom Selbstinduktion http: physik download e_lenzsche_regel.pdf http: physik download e_induktion_gleichstrom.pdf http: physik download e_selbstinduktion_schueler.pdf Glimmlampe im Gleichstromkreis: Materialliste: 1 Hochspannungsnetzgerät, 1 Dreiecksglimmlampe Spannung auf ca. 100V einstellen. Polung am Netzgerät ändern und Glimmlampe beobachten. Glimmlampe imwechselstromkreis: Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Dreiecksglimmlampe, 1 Drehspiegel, Stativmaterial, Dreiecksglimmlampe direkt an U~230V anschließen. Drehspiegel mit der Hand drehen und das Bild der Glimmlampe im Drehspiegel beobachten. Nachweis: Phasenleiter, Nullleiter Wie findet man den Phasenleiter? Materialliste: 1 Phasenprüfer, Starkstromkupplung, Voltmeter Mit dem Phasenprüfer den Phasenleiter der Steckdose bestimmen. Mit dem Phasenprüfer die Phasenleiter einer Starkstromkupplung nachweisen. Wie findet man den Nullleiter? Wie findet man die Phasenleiter ohne Phasenprüfer? Seite 12

14 Sicherheit im Haushalt Materialliste: 1 Leistungsschutzschalter LS, 1 Fehlerstromschutzschalter FI, 1 Steckdosenmodell, 1 Lampe 24V, 1 metallisches Gehäuse, 1 Modellmensch, 1 Widerstand 470Ω, 1 Spule 50 Windungen, 1 Spule 500 Windungen Kurzschluss: Phasenleiter und Nullleiter berühren sich. Der Leistungsschutzschalter LS soricht an. Überlastung: Spulen (Verbraucher) nacheinander parallel schalten. Der LS spricht an. Gehäuseschluss: Das Phasenleiter berührt das Gehäuse. Der FI öffnet den Stromkreis. Körperschluss: Der Modellmensch ist geerdet und er berührt den Phasenleiter. Der FI-Schalter spricht an! Schülerexperiment: Kein Körperschluss: Der Modellmensch ist nicht geerdet und er berührt Phasenleiter und Nullleiter. Weder der LS noch der FI spricht an!! Prüftaste drücken: Es wird ein Fehlerstrom erzeugt, der den FI-Schalter aktiviert! Magnetsicherung, Schmelzsicherung http: physik download e_magnetsicherung.pdf Die Wirkungsweise einer Magnet- bzw. einer Schmelzsicherung soll gezeigt werden. Seite 13

15 Transformatorversuche T rafogleichung : U 1 I 1 cosϕ 1 = U 2 I 2 cosϕ 2 + V erluste Idealfall : V erluste =0,ϕ 1 = ϕ 2 U 1 I 1 = U 2 I 2 U 2 U1 = I 1 = N 2 I 2 N 1 Hochspannungstrafo: Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Spule N1=500 Wdg., 1 Spule N2=23000 Wdg., 1 U-Trafokern, 1 Joch, 2 Tonnenfüße, 2 Isolierstative, 2 Hörnerelektroden Hörner im Abstand von 0,5cm bis 1 cm voneinander positionieren. Kurze Kabel auf der Sekundärseite verwenden. Kurz einschalten, eine Bogenentladung steigt zwischen den Hörnern hoch. Vorsicht Lebensgefahr! Niederspannungstrafo: Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Spule N 1 =500 Wdg., 1 Spule N 2 =5 Wdg., 1 U-Trafokern, 1 Joch, 1 Nagel Nagel mit Schrauben festklemmen, Tisch schützen, Stromkreis schließen. Nach einigen Sekunden glüht der Nagel wegen der großen Stromstärken. U 2 = U 1 N 2 = 230 5=2, 3V N I 2 = I 1 N 1 = 500 N 2 5 I 1 = 100 I 1 Niederspannungstrafo (Induktionsheizen): Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Spule N 1 =500 Wdg., 1 Spule N 2 =1 Wdg. (Schmelzrinne), 1 U-Trafokern, 1 Joch Schmelzrinne mit Wasser füllen, einschalten und warten bis das Wasser siedet. U 2 = U 1 N 2 = 230 1=0, 46V N I 2 = I 1 N 2 N 1 = I 1 = 500 I 1 Niederspannungstrafo (Induktionsschweißen): Materialliste: 1 Ausschalter, 1 Spule N 1 =500 Wdg., 1 Spule N 2 =5 Wdg., 1 U-Trafokern, 1 Joch, 2 Blechstreifen Blechstreifen festklemmen, einschalten. Nach einigen Sekunden verschmelzen die Elektronenwolken der Blechstreifen U 2 = U 1 N 2 = 230 5=2, 3V N I 2 = I 1 N 1 = 500 N 2 5 I 1 = 100 I 1 Seite 14

16 Rasiersteckdose: Materialliste: 1 Ausschalter, 2 Spulen N 1 =500 Wdg, 1 U-Trafo kern, 1 Joch Primärspannung U1~220V Zeige, dass kein Pol der Sekundärspule Spannung gegenüber der Erde aufweist. Energieübertragung Materialliste: 1 Ausschalter, 2 Spulen N=1000 Wdg, 2 Spulen N1=10000 Wdg., 2-Trafokerne, 2 Glühlampen P=60W, U~230V Netzspannung verwenden. Schalter schließen. An der Glühlampe im Hochspannungskreis kann man mit einem Voltmeter den Spannungsabfall messen. relativer Übertragungsverlust P V = P V = U I R Z U I Vorsicht: Lebensgefahr! V erlustleistung Leistung des Kraftwerks = U I cos(ϕ) U I = I2 R U I = I R U = U I R U 2 = P R U 2 Beispiel : R = 30Ω, P= 100MW, U = 110kV P V = ( =0, 25 = 25% ) 2 Beispiel : R = 30Ω, P= 100MW, U = 380kV P V = ( =0, 02 = 2% ) 2 Schülerexperimente: Der unbelastete bzw. belastete Transformator Die Transformatorgleichung http: physik download e_transformator1.pdf http: physik download e_transformator_gleichung.pdf Seite 15

17 Drehstrommotoren Synchronmotor: Materialliste: 1 Paar Scheibenmagnete, 2 Polschuhe, 1 Drehfeldlasche mit Lager, 1 Magnetnadel mit Lager, 2 Spulen mit N=250 Die Lasche mit der Hand in Rotation versetzen. Die Magnetnadel läuft synchron mit. Die Magnetnadel wird im Uhrzeigersinn in rasche Rotation versetzt und danach wird die Wechselspannung angelegt. Erfolgt das Anwerfen schnell genug, so läuft die Magnetnadel beim Langsamer werden synchron mit dem Polwechsel. Modell eines Asynchronmotors: Materialliste: 2 Polschuhe, 1 Paar Scheibenmagnete, 1 Drehfeldlasche mit Lager, 1 Kurzschlussrotor Lasche drehen, der Kurzschlussläufer folgt dem Drehfeld mit geringerer Drehzahl- asynchron bzw. mit einem Schlupf - nach. Asynchronmotor: Dreieckschaltung Materialliste: 1 Paar Scheibenmagnete, 5 Polschuhe, 1 Dreipolrotor, 1 Kurzschlussrotor, 3 Spulen N=250 Wdg., 2 Kohlebürsten, 1 Magnetnadel mit Lager Der erzeugte Drehstrom wird einem Drehstrommotor in Dreieckschaltung zugeführt. Der Kurzschlussläufer folgt dem Drehfeld langsam und erreicht nach kurzer Zeit eine konstante, maximale Drehfrequenz. 2 Phasen vertauschen. Drehstrommotor : Sternschaltung, Dreieckschaltung Materialliste: 3 Polschuhe, 1 Kurzschlussrotor, 3 Spulen N=250 Wdg., 1 Drehstromtrenntrafo mit 3 Spulen N=1000 Wdg. Die Stromstärken in den Phasenleitern mit gleichen Widerständen (3 Spulen N=1000) begrenzen. Motoren in Stern- bzw. Dreieckschaltung betreiben. Spannungen und Stromstärken messen. Phasen vertauschen. Seite 16

18 Drehstrommotor mit Netzspannung - Sternschaltung Materialliste: 3 Spulen N=12000Wdg., 3 Eisenkerne, Polschuhe, 1 Kurzschlussläufer, 1 Starkstromsteckdose Spulen im Winkel 120 zueinander aufstellen. Vorsicht beim Aufbau Schaltung! Stromkreise schließen. Stromstärke im Phasenleiter und Nullleiter messen. Wie kann der Drehsinn des Rotors umgekehrt werden? Drehstrommotor mit Netzspannung - Dreieckschaltung Materialliste: 3 Spulen N=12000Wdg., 3 Eisenkerne, Polschuhe, 1 Kurzschlussläufer, 1 Starkstromsteckdose Spulen im Winkel 120 zueinander aufstellen. Vorsicht beim Aufbau der Dreieckschaltung! Stromkreise schließen. Welche Schaltung dreht den Rotor schneller? Wie kann der Drehsinn des Rotors umgekehrt werden? Der Wechselstromzähler hat eine ähnliche Wirkungsweise wie ein Asynchronmotor mit Kurzschlussläufer. Im Luftspalt zwischen den Polen zweier Magnetsysteme ist eine Aluminiumscheibe drehbar gelagert. Durch das untere Magnetsystem fließt der zu messende Strom, am oberen Magnetsystem liegt die zu messende Spannung an. Es entsteht ein magnetisches Wanderfeld, das in der Aluminiumscheibe Wirbelströme hervorruft. Wechselstromwiderstände Prüfe die Frequenzabhängigkeit der Widerstände R, R L und R C! Materialliste: 1 Tonfrequenzgenerator, Kondensator C=100μF, 1 Spule N=1000 mit Eisenkern, 1 OhmscherWiderstand R=10kΩ Zeige die R ist Frequenzunabhängigkeit von R! Zeige, dass der kapazitive Widerstand mit Zunahme der Frequenz sinkt! Zeige, dass der induktive Widerstand mit Zunahme der Frequenz steigt! Stromresonanz (Sperrkreis) ImResonanzfall (R C =R L ) erreicht der Gesamtstrom bei stärksten Teilströmen sein Minimum Materialliste: 1 Netzgerät, 3 Amperemeter, 1 Spule N=1000 mit Eisenkern, 1 Kondensator C=5μF Resonanz durch Abziehen des Joches einstellen. Die Stromstärke in der Zuleitung wird minimal! Resonanz R C = R L ω L = 1 ω C 2πf L = 1 2πf C 1 Ströme der F requenz f = 2π werden gesperrt! LC Seite 17

19 Spannungsresonanz (Serienresonanz) Materialliste: 1 Netzgerät, 1 Amperemeter, 2 voltmeter, 1 Spule N=1000 mit Eisenkern, 1 Kondensator C=5μF Resonanz durch Abziehen des Joches einstellen. Im Resonanzfall (U C und U L sind maximal und in Gegenphase) bleibt nur der Verlustwiderstand wirksam und die Stromstärke erreicht ein Maximum. 1 Ströme der F requenz f = 2π LC werden bevorzugt durchgelassen (Siebkreis)! Der ungedämpfte Schwingkreis im Hörbereich: Materialliste: 1 Lautsprecher,1 Spule N1=1200 Wdg. 18Ω, 1 Spule N2=300 Wdg. 2Ω, U-Trafokern, 1 Joch, 1 Widerstand R=10kΩ, 1 Widerstand R=8kΩ, 1 Kondensator C=2μF, 1 Transistor BC140, 1 Netzgerät Gleichspannung U=5V anschließen, Transistor in Durchlassrichtung schalten. Joch heben bzw. senken, U-Kern herausziehen 1 F requenz des Schwingkreises f = 2π LC Die Tonhöhe hängt von der Induktivität L und der Kapazität C ab! Schülerübungen: Der ungedämpfte Schwingkreis (Leybold) Der ungedämpfte Schwingkreis (NTL) http: physik download e_schwingkreis_schueler_leybold.pdf http: physik download e_schwingkreis_schueler.pdf Magischer Plasmaball Die Plasmalampe ist eine durchsichtige Glaskugel, die mit einer Mischung unterschiedlicher Gase bei niedrigem Druck gefüllt wurde. Im Sockel der Kugel werden hochfrequente elektromagnetische Wellen produziert. Die leuchtenden Plasmablitze werden durch die starken elektromagnetischen Entladungen im Kugelinneren erzeugt. Für den Benutzer ist das jedoch völlig ungefährlich! Berührt die Hand das Glas, so wird das Hochfrequenzfeld gestört, so dass nun eine Entladung vom Inneren zum Kontaktpunkt entsteht. Seite 18

20 Erzeugung hochfrequente Ströme mit dem Teslatransformator Materialliste: 1 Teslaspule, 1 Trafo-Kern, 1 Spule N=500, 1 Spule N=23000, 1 Teslaspule, 1 Primärspule N=11, 1 Funkenstrecke, 1 Leydener Flasche, 1 Schalter Tesla-Transformatoren dienen zur Erzeugung hochfrequenter Wechselströme mit sehr hoher Spannung. Im Schwingkreis, bestehend aus einer Funkenstrecke (sie verbindet bei Zündung die Komponenten zu einem Schwingkreis), einem Kondensator und einer primären Spule mit wenigen Windungen, erzeugt man gedämpfte elektrische Hochfrequenzschwin gungen sehr hoher Momentanleistung. Eine einlagig gewickelte lange Zylinderspule geringeren Durchmessers und hoher Windungszahl (Sekundärspule) liegt im Feld der Prmärspule, wodurch hochfrequente Schwingungen durch Resonanz in der Teslaspule angeregt werden. Teslatransformatoren dienen vorwiegend zur Demonstration der Wirkung starker elektrischer Wechselfelder. Warnung: Funkenentladungen führen zu Verbrennungen der Haut! Sendung und Empfang elektromagnetischer Wellen Materialliste: 1 Dezimeterwellensender (f=433,92mhz, λ=0,69m in Luft), 2 Antennenstäbe λ 2, 1 Empfangsdipol λ 2 mit Glühlämpchen, 1 Empfangsdipol λ 2 mit eingebauter Diode, 1 Feldglimmlampe, 1 Induktionsschleife mit Glühlämpchen Wie funktioniert der Mittelwellensender? Zeige, dass sich in der Antenne stehende Wellen (I, U) ausbilden! Zeige die Fernwirkung des Senders! Zeige, dass die Wellen polarisiert sind! Zeige die Strahlungscharakteristik der Antenne! Können elektromagentische Wellen durch einen Leiter dringen? Warum kann aus der Antennenlänge auf die Wellenlänge geschlossen werden? Wie kann die Strahlungsleistung des Senders durch einen Reflektor erhöht werden? Seite 19